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水污染源在线明渠超声波流量计对比确认方法的探讨

  随着科学的发展,水污染源流量测量逐渐由不定期瞬时监测转变为连续在线监测,与其他污染物(如,CODCr,NH3-N)在线监测仪器相配套,满足了国家对排污源主要污染物总量控制的要求。目前,广泛使用、方便、准确可靠的污水排放计量手段是非接触测量方式的超声波明渠流量计。超声波的特征是频率高、波长短、衍射现象小、方向性好、在液体和固体中衰减小、穿透率大、遇到杂质或分界面有显著的反射[1]。根据计量要求,对污水排放企业安装的在线设备必须进行对比监测。完成该项工作的单位主要为省、市级环境保护监测站,且以市级环境监测站为主。对于污染物在线监测设备的对比,一般采集平行样,1个样品在线仪器分析,另1个样品送到化验室分析,然后进行2个数据对比,确定污染物在线监测设备是否合格。对于流量的监测目前还比较困难,因为大部分市级站的流量计是旋桨转子流量计,与超声波流量计配套的主要是溢流堰或槽,这些堰或槽不具备转子流量计测量条件。因此,必须采用全新的思路对明渠超声波在线流量仪进行比对。笔者是通过确认明渠超声波流量计是否正确安装,对应水头高度与相应的流量是否吻合来比对确认在线超声波明渠流量计的。   

1 比对测量的原理   目前,运城市排污企业安装的超声波流量计主要是苏州华陆仪器仪表有限企业生产的超声波明渠流量计,常用的量水堰槽有直角三角堰、矩形堰和巴歇尔槽(见图1)。其中,大部分企业安装的是巴歇尔槽,只有极少数企业安装的是三角堰、矩形堰。巴歇尔槽的水位—流量关系由实验室标定,且对于上游行进渠槽条件要求较弱。由于三角堰和矩形堰的水位—流量关系来源于理论计算,因此容易忽略一些使用条件带来附加误差。   WL-1A仪表直接测量的物理量是液位。用于明渠测流量时,在明渠上安装量水堰槽。量水堰槽把明渠内流量的大小转成液位的高低。仪表测量量水堰槽内的水位,再按相应量水堰槽的水位—流量关系反算出流量。   

1.1 测量水堰槽测流量的原理   

渠内的流量越大,液位越高;流量越小,液位越低(见图2)。     一般渠道,液位与流量没有确定的对应关系,因为同样的水深,流量的大小还与渠道的横截面积、坡度、粗糙度有关。在渠道内安装测量的水堰槽,由于堰的缺口或槽的缩口横截面积比渠道的小,所以渠道上游水位与流量的对应关系主要取决于堰槽的几何尺寸。同样的测量水堰槽放在不同的渠道上,相同的液位对应相同的流量。量水堰槽的作用就是把流量转成液位。量水堰槽的水位—流量关系可以从JJG 711—90明渠堰槽流量计中查到。   

1.2 超声波测液位的原理   超声波测液位采原则见图3。   超声波测液位采用超声波回声测距法,探头固定安装在量水堰槽水位观测点的上方,对准水面发射超声波。超声波经过t1时间,走过E1距离,碰到校正棒。一部分超声波能量被校正棒反射,并被探头接收(仪表在显示器上“校波”的指示位置出现“▲”提示符)。仪表记录这段时长t1。超声波的另一部分能量绕过校正棒,经过t2时到达水面。这部分能量被水面反射后,被探头接收(仪表在显示器上“回波”的指示位置出现“▲”提示符)。仪表记下这段时长t2。校正棒的长度E1是固定的。仪表根据t1与t2的比例,再乘以E1,求出水面到探头的距离D。   根据苏州华陆仪器仪表有限企业编写的《超声波明渠流量计使用说明书(2007)》安装仪表时,通过按键已向仪表的存储器内设置了探头(法兰盘位置)到水位等于0的距离L。仪表从内存读取参数L。用L减去D,求出液位H,再根据堰槽类型,计算出水头高度。   仪表的作用就是控制探头发射和接收超声波得到液位数据,计算得到相应的测量值,把液位转成流量。   详细操作参看仪表说明书。   

2 安装要求   堰或槽一般由正规厂家设计安装,笔者只简单先容传感器的安装。   堰式流量计的超声波或静压液位传感器安装在上游距堰板最大水头的3倍~4倍处。研究发现置于3.5倍最大水头处,将渠底进行整平,保证测量时流量计固定不动,测量精度更高[2]。槽式流量计的巴歇尔槽和无喉道槽配接的超声波或静压液位传感器安装在距喉道2/3收缩段长度的位置。   安装超声波液位传感器注意事项是,a)超声波液位传感器发射声波面要垂直对准水面;b)超声波液位传感器的安装高度不要过高,安装高度稍大于最高水位加上盲区(此距离不能用于测量)的距离即可;c)超声波液位传感器有波束角,安装时要使其声波传播路径上没有其他反射面[2]。   

3 实际应用   

3.1 测量前的准备   实际工作中,监测人员带上卷尺或测量尺(要求精确到0.001 m)和装有Excel文件的手提电脑即可。在现场监测人员观察堰槽形状,检查设备安装位置合格,设备完善后,测量堰槽的各种参数,如,三角堰的角度及水头高度,矩形堰测量渠宽、堰开口宽度及水头高度,巴歇尔槽测量喉口的宽度和喉口上游水深,最后根据堰槽的各种参数确定应使用的公式。   

3.2 测量位置   矩形堰或三角堰水头的测量位置位于出水口的上游紧靠渠壁的位置,测量水深H减去P值,得到水头高度h值(见图4)。巴歇尔槽测量位置位于紧靠近喉口的上游靠渠壁的位置。注意测量设备不能紧贴超声波传感器,防止对其形成,同时测量器具要细且有一定的机械强度,如,测量巴歇尔槽水深时,水流比较急测量工具容易变形,一些小尺寸的巴歇尔槽如果测量工具粗笨会使水面高度提高。   

3.3 计算公式   每个企业的在线监测设施都有验收报告。根据报告提供的计算公式计算流量,也可根据在线流量计说明书提供的计算公式计算流量。   

3.4 方法应用   对比监测时,首先把计算公式输入计算机的Excel文件,设计好最快捷的计算方法,一般要用到Power函数,然后开始测量深度或水头高度,每读取1个数值,马上输入该数值,同时记录在线流量计的数值。每次连续测量5个数值计算平均值,作为观测结果。   只要堰槽安装规范且仪表参数设定准确,均能满足对比测量的要求。   

3.5 实际应用中发现的一些问题   实际工作中发现即使流量计本身不存在问题,也会因安装位置不对,参数设置或渠道地面等问题导致测量失败[3]。通常的问题包括:   a)部分企业堰槽不符合设计要求,如,溢流口0.75 m的矩形堰,溢流口加宽到0.8 m;巴歇尔槽喉口上宽下窄,会造成计量结果偏低。工作中发现,有些企业为了掩盖排污总量故意把仪表设置成低于正常流量值的固定数值;   b)污水处理企业常常把进出口在线流量计仪表的参数设置错误,致使处理量比实际明显偏大,主要是为了完成当地政府下达的减排目标,弄虚作假;   c)有些企业排污口在线流量监测设施仪表位置安装不规范,如,在线测量仪表没有校正棒或测量仪表固定支架用软铁皮制成,有风的情况下乱晃动等等;   d)有的污水处理厂巴歇尔槽的上端紧靠水流的转角,水面由于向心力的作用,水流湍急且左右高度不一样,造成测量结果不准确。  4 结语   

安装在线流量监测系统,可有效地核算污染物排放总量,便于环境保护主管部门对污染物排放量进行管理。目前,企业污水排放口的在线流量计大部分使用明渠超声波流量计,该设备计量是否准确需要进行比对确认。针对环保监测部门目前使用的流量测量设备比较落后,且在线流量设备的渠道不具备测量条件的状况,笔者提出根据明渠超声波流量计测量原理,通过测量水深或水头高度用公式计算流量的方法,通过实践证明计算精准,可满足在线明渠超声波流量计比对确认的要求。   这种通过测量水深用公式计算流量的方法可用于小型河流的流量测定,在河流河床较窄的地方固定两边的河堤坝和河床,形成1个矩形水渠,把流量测定转换成深度测定,然后依有关资料和实践,回归水深和流量的函数模型,就可根据测量到的水深数据计算流量。


 


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